EP2460260B1 - Wickelkopfabstützung einer elektrischen maschine - Google Patents

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EP2460260B1
EP2460260B1 EP10737738.4A EP10737738A EP2460260B1 EP 2460260 B1 EP2460260 B1 EP 2460260B1 EP 10737738 A EP10737738 A EP 10737738A EP 2460260 B1 EP2460260 B1 EP 2460260B1
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EP
European Patent Office
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winding
bars
inner ring
end winding
outer ring
Prior art date
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Active
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EP10737738.4A
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English (en)
French (fr)
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EP2460260A2 (de
Inventor
Alfred Lexer
Stefan Helmlinger
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Andritz Hydro GmbH Austria
Original Assignee
Andritz Hydro GmbH Austria
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Filing date
Publication date
Application filed by Andritz Hydro GmbH Austria filed Critical Andritz Hydro GmbH Austria
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Publication of EP2460260B1 publication Critical patent/EP2460260B1/de
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    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
    • H02K3/50—Fastening of winding heads, equalising connectors, or connections thereto
    • H02K3/51—Fastening of winding heads, equalising connectors, or connections thereto applicable to rotors only
    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
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    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/12—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors arranged in slots
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    • H02K3/04—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors
    • H02K3/24—Windings characterised by the conductor shape, form or construction, e.g. with bar conductors with channels or ducts for cooling medium between the conductors
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    • H02K3/46—Fastening of windings on the stator or rotor structure
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    • H02K3/527—Fastening salient pole windings or connections thereto applicable to rotors only
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
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    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49009—Dynamoelectric machine
    • Y10T29/49012—Rotor

Definitions

  • the subject invention relates to a support for a winding head of a rotor of an electric machine, wherein the rotor comprises a laminated core, in which distributed over the circumference winding rods are inserted, wherein the winding rods extend beyond an axial end of the laminated core to form the winding head and a Method for mounting a rotor winding with such a winding head support.
  • the rotors of electric machines are designed with bar windings, they are sometimes subject to high centrifugal forces, especially at high speeds.
  • the rotor windings of variable speed machines are often designed as a bar winding.
  • the machines of variable-speed pumped storage power plants are operated at high speeds and their bar windings therefore exposed to high centripetal accelerations.
  • two winding rods arranged one above the other in axial grooves and are held radially against the centrifugal force by slot wedges.
  • the winding bars In order to achieve the necessary interconnection scheme and the required distances of the winding bars to each other, the winding bars must be guided obliquely in the region of the winding head against the axial direction, wherein the winding bars of upper layer and underlay run in opposite directions at an angle so that they cross each other. Due to the complicated arrangement and geometry of the winding rods in the winding head area a guide in grooves and wedging as in the area of the rotor body is not possible. The winding heads are thus burdened by the prevailing centrifugal forces, which makes a radial support of the winding heads necessary.
  • the winding heads, or the winding rods in the field of winding heads as also well known to be cooled.
  • the cooling takes place via a gaseous cooling medium, which is conducted via the winding heads.
  • rotor caps which are usually shrunk onto the rotor body and thus supported on the rotor body.
  • An example of this is the GB 378 920 A in which an outer ring with teeth is pushed by the rotor grooves on the rotor body and then rotated, so that the teeth come to rest between two grooves, whereby the axial mobility of the outer ring is blocked.
  • This outer ring supports the winding head in the radial direction against the centrifugal forces.
  • a similar arrangement shows the GB 1 474 439 A , in the outside around the winding head two rings shrunk, but again supported radially on the rotor body.
  • the US 5,666,016 A discloses a winding head support for an electric generator, in which the windings of the winding head on comb-like elements objected and supported on individual inner holding elements and an outboard metal strip.
  • the EP 1 598 921 A2 discloses also comb-like elements which are inserted into the winding spaces between the winding head and which are fixedly connected to the rotor body.
  • the JP 53 146101 A reveals caps that are stuck on the winding head.
  • the winding head is stabilized via resin-filled hoses.
  • the object of the present invention is therefore to provide a winding head support, with which the above disadvantages are avoided and still sufficient radial support of the winding head and sufficient cooling of the winding head can be ensured.
  • the winding head support in the region of the winding head comprises an outer ring and an inner ring, between which the winding rods can be arranged in the winding head, wherein the outer ring is shrunk onto the winding rods and the inner ring and with the inner ring and the winding bars forms a composite in the winding head and both the outer ring, and the inner ring of the laminated core is arranged axially spaced, both rings can expand radially unhindered, so that the composite in the radial direction substantially free to move (stretch) can.
  • a spacer is arranged, which is at least equal to, preferably slightly higher, than the winding bars, can be achieved that no radial shrinkage forces are transmitted to the winding bars.
  • the cooling of the winding head can be implemented very easily and effectively when the spacer is designed as a hollow profile.
  • cooling air can be performed in the axial direction, whereby cooling of the winding head is achieved.
  • an insulation insert is arranged in the radial direction between the inner ring and the winding bars and / or between the outer ring and the winding bars. It is also conceivable that the insulation insert between the lower rod and upper rod is arranged. As a result, a better electrical insulation between upper and lower bars can be achieved.
  • the winding head support according to the invention can also be used if a lower rod and an upper rod are arranged one above the other in the radial direction, wherein in the circumferential direction between two adjacent lower bars and / or upper bars, a spacer which is at least the same height, preferably slightly higher, as the lower bar or The upper staff can be arranged.
  • An axial movement of the inner ring can be very easily prevented by a holding device, such as holding plates, is provided in the region of the inner ring, which cooperates with the inner ring and prevents axial movement of the inner ring or winding head, but without disturbing the radial movement of the winding head ,
  • the holding plates allow the centering of the winding head by engaging in a plurality of radial grooves located on the inner surface of the inner ring.
  • the winding head is supported by the mutual tension in the radial direction and protected in operation against the mechanical stresses that are caused by the centrifugal forces arising.
  • a spacer which is preferably higher than the winding bars, arranged.
  • winding rods and the spacers can also be arranged in two layers in the method according to the invention.
  • the in Fig. 1 illustrated rotor 1 of an electric machine, such as a hydrogenator, comprises a hub star 2, on which the laminated core 3 of the rotor 1 is arranged in a known manner.
  • the laminated core 3 is held together by well-known billet 4.
  • Hub core 2 and laminated core 3 thereby form the rotor body 11 of the rotor 1.
  • grooves are arranged in which the insulated winding bars, here an upper bar 5 and a lower bar 6, inserted and by slot wedges in be held in the radial direction.
  • the insulated winding bars here an upper bar 5 and a lower bar 6
  • the winding rods 5, 6 protrude in the axial direction on both sides of the laminated core 3 and form the so-called winding head 7 outside the laminated core 3.
  • the winding rods 5, 6 are, as is well known, inclined in the region of the winding head 7 with respect to the axial direction arranged, wherein the upper bar 5 and the lower bar 6 are arranged obliquely opposite, so that they intersect, as in Fig. 3 shown schematically.
  • the upper bars 5 and lower bars 6, preferably at their axial ends, are connected to one another by bar connectors 8.
  • the winding rods 5, 6 are arranged according to the invention in the region of the winding head 7 between an inner ring 12 and an outer ring 10 and together with these form a composite.
  • Both rings 10, 12 are arranged axially spaced from the rotor body 11 and the laminated core 3, and do not touch or are not connected to this. Both rings 10, 12 are thus based, at least in the radial direction, not on the rotor body 11 or the laminated core 3 or elsewhere, but can expand radially unhindered.
  • the holding device 9, for example, a holding plate, which is attached to a holding bracket 16, essentially serves to prevent an axial displacement of the winding head 7 with the rings 10, 12 and to center the inner ring 12.
  • the holding device 9 does not hinder the substantially free radial expansion of the composite.
  • the holding device 9 could for example be designed as a sheet with a nose (as in Fig. 1 indicated), wherein the nose engages in a groove on the inner ring 12 axially conclusive, but the sheet is arranged radially spaced from the inner ring 12 and thus the radial mobility is not limited.
  • the outer ring 10 is shrunk onto the winding head 7 and forms by mutual tension with the inner ring 12 a composite.
  • spacers 14 between the winding bars 5, 6 (viewed in the circumferential direction) which are at least as high as the winding bars 5, 6, but preferably somewhat higher - at least so much higher that no shrinkage forces are transmitted to the winding bars 5, 6 (eg between 0.5 and 1mm higher than the winding bars 5, 6). This is in Fig. 2 shown very schematically and exaggerated.
  • the spacers 14 are arranged obliquely in opposite directions and cross each other (see above).
  • the shrinkage forces are passed from the outer ring 10 via the spacers 14 to the inner ring (essentially over the crossing points of the spacers 14) and the winding rods 5, 6 remain substantially free of shrinkage forces in the radial direction and can even move radially within certain limits.
  • the winding rods 5, 6 experience an approximately equal radial displacement by the centrifugal forces on the winding head 7 in the winding head region as in the region of the rotor body 11 , whereby the winding bars 5, 6 are minimally mechanically loaded.
  • the radial relative movements between the rotor body 11 and winding head 7 can be kept low in all operating conditions are, so as possible no bending or shearing stresses of the winding bars 5, 6 are caused.
  • spacers 14 between all the winding bars 5, 6, but it is also possible to provide spaces through which e.g. Cooling air can be performed.
  • the spacers 14 are designed as hollow profiles, as in Fig. 2 indicated, they can also be used for cooling air.
  • this hollow profile is designed with ribs aligned in the longitudinal direction, that is to say parallel to the winding bars.
  • a radial fan 13 in Fig. 1 shown
  • the cold cooling air for example, from a heat exchanger, not shown, sucks and blows radially outward to the winding head 7.
  • the cooling air is deflected from the radial to an axial direction, for example by suitable baffles, and then flows through the channels of the hollow sections of the spacers 14 axially outwards, whereby the winding head is cooled.
  • This cooling air duct is in Fig. 1 and Fig. 3 indicated by arrows.
  • top bar 5 and bottom bar 6 and / or between top bar 5 and outer ring 10 and / or between bottom bars 6 and inner ring 12 insulating inserts 15, e.g. made of a hard fiber fabric, to arrange in order to achieve a better electrical insulation of the upper and lower bars 5, 6.
  • insulation supplements 15 are of course part of the composite.
  • An assembly of a winding head support could take place as follows: First, the inner ring 12 is arranged in the region of the winding head 7 and then the lower bars 6 are inserted into the grooves and fixed. Subsequently, the spacers 14 are inserted in the winding head region between the lower bars 6. Subsequently, an insulation insert 15 can be arranged around the spacers 14. Subsequently, the upper bars 5 can be inserted into the grooves. The grooves can then already be closed by slot wedges. If the upper bars 5 are inserted, spacers 14 can be arranged therebetween again in the winding head area. At this stage of the assembly also switching connections, rod connector 8 and insulation caps can be arranged.
  • a further insulation insert 15 can now also be arranged around the upper bars 5 or around the spacers 14. Subsequently, the brought to a certain temperature, for example 160 ° to 200 ° C, brought outer ring 10 and cooled. As a result, the outer ring 10 shrinks and shrinks on the inner ring 12 (via the spacers 14), whereby the composite is trained. Thus, the winding head 7 is supported by the mutual tension in the radial direction and protected in operation against the mechanical stresses caused by the centrifugal forces arising.
  • the composite of inner ring 12, winding bars 5, 6, spacers 14 and optionally insulating layers 15 can be designed so that the radial relative movements of the rotor body 11 and winding head 7 remain low in all operating conditions and possible no bending or shearing stresses of the winding bars 5, 6 cause.

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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Power Engineering (AREA)
  • Insulation, Fastening Of Motor, Generator Windings (AREA)
  • Windings For Motors And Generators (AREA)
  • Manufacture Of Motors, Generators (AREA)

Description

  • Die gegenständliche Erfindung betrifft eine Abstützung für einen Wickelkopf eines Rotors einer elektrischen Maschine, wobei der Rotor ein Blechpaket umfasst, in dem über dessen Umfang verteilt Wicklungsstäbe eingelegt sind, wobei sich die Wicklungsstäbe über ein axiales Ende des Blechpakets zur Ausbildung des Wickelkopfes hinaus erstrecken und ein Verfahren zur Montage einer Rotorwicklung mit einer solchen Wickelkopfabstützung.
  • Werden die Rotoren elektrischer Maschinen mit Stabwicklungen ausgeführt, so unterliegen diese mitunter hohen Fliehkräften, insbesondere bei hohen Drehzahlen. Z.B. sind die Rotorwicklungen von drehzahlvariablen Maschinen häufig als Stabwicklung ausgeführt. Insbesondere die Maschinen von drehzahlvariablen Pumpspeicherkraftwerken werden bei hohen Drehzahlen betrieben und deren Stabwicklungen daher hohen Zentripetalbeschleunigungen ausgesetzt. Im Bereich des Rotorkörpers liegen üblicherweise, wie hinlänglich bekannt, jeweils zwei Wicklungsstäbe übereinander angeordnet in axialen Nuten und werden radial gegen die Fliehkraft durch Nutkeile gehalten. Um das notwendige Verschaltungsschema und die erforderlichen Abstände der Wicklungsstäbe zueinander zu erreichen, müssen die Wicklungsstäbe im Bereich des Wickelkopfes gegen die axiale Richtung schräg geführt werden, wobei die Wicklungsstäbe von Oberlage und Unterlage in entgegen gesetzte Richtungen schräg laufen, sodass sich diese überkreuzen. Aufgrund der komplizierten Anordnung und Geometrie der Wicklungsstäbe im Wickelkopfbereich ist eine Führung in Nuten und Verkeilung wie im Bereich des Rotorkörpers nicht möglich. Die Wickelköpfe werden folglich durch die herrschenden Fliehkräfte belastet, was eine radiale Abstützung der Wickelköpfe notwendig macht.
  • Darüber hinaus müssen die Wickelköpfe, bzw. die Wicklungsstäbe im Bereich der Wickelköpfe, wie ebenfalls hinlänglich bekannt, gekühlt werden. In der Regel erfolgt die Kühlung über ein gasförmiges Kühlmedium, das über die Wickelköpfe geleitet wird.
  • Aus dem Stand der Technik sind verschiedene Möglichkeiten für eine Wickelkopfabstützung bekannt. Gängig sind so genannte Rotorkappen, die meistens auf den Rotorkörper aufgeschrumpft werden und sich folglich auf dem Rotorkörper abstützen. Ein Beispiel dafür ist die GB 378 920 A bei der ein Außenring mit Zähnen durch die Rotornuten auf den Rotorkörper aufgeschoben wird und anschließend verdreht wird, sodass die Zähne zwischen zwei Nuten zu liegen kommen, womit die axiale Beweglichkeit des Außenringes blockiert ist. Dieser Außenring stützt den Wickelkopf in radialer Richtung gegen die Fliehkräfte. Eine ähnliche Anordnung zeigt die GB 1 474 439 A , bei der außen um den Wickelkopf zwei Ringe aufgeschrumpft werden, die sich aber wieder radial am Rotorkörper abstützen. Problematisch ist bei solchen Anordnungen, insbesondere bei elektrischen Maschinen im hohen Leistungsbereich, dass durch die auf den Rotorkörper aufgeschrumpfte Rotorkappe die zwischen den Teilblechpaketen für die Kühlung des Rotors angeordneten Lüftungsschlitze verschlossen werden, wodurch die Kühlung des Rotorkörpers in diesem Bereich gestört wird.
  • Die US 5,666,016 A offenbart eine Wickelkopfabstützung für einen elektrischen Generator, bei dem die Wicklungen des Wickelkopfes über kammartige Elemente beanstandet und über einzelne innenliegende Halteelemente und ein außenliegendes Metallband gestützt werden. Die EP 1 598 921 A2 offenbart ebenfalls kammartige Elemente, die in die Wicklungszwischenräume des Wickelkopfes gesteckt werden und die fest mit dem Rotorkörper verbunden sind.
    Die JP 53 146101 A offenbart Kappen, die auf den Wickelkopf gesteckt werden.
    In der US 4 387 317 A wird der Wickelkopf über harzgefüllte Schläuche stabilisiert.
  • Aufgabe der gegenständlichen Erfindung ist es daher eine Wickelkopfabstützung anzugeben, mit der die obigen Nachteile vermieden werden und trotzdem eine ausreichende radiale Abstützung des Wickelkopfes und eine ausreichende Kühlung des Wickelkopfes gewährleistet werden kann.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Wickelkopfabstützung im Bereich des Wickelkopfes einen Außenring und einen Innenring umfasst, zwischen denen die Wicklungsstäbe im Bereich des Wickelkopfes anordenbar sind, wobei der Außenring auf die Wicklungsstäbe und den Innenring aufgeschrumpft ist und mit dem Innenring und den Wicklungsstäben im Bereich des Wickelkopfes einen Verbund bildet und sowohl der Außenring, als auch der Innenring vom Blechpaket axial beabstandet angeordnet ist, wobei sich beide Ringe radial ungehindert aufweiten können, sodass sich der Verbund in radialer Richtung im Wesentlichen frei bewegen (dehnen) kann.
  • Durch diese Anordnung zweier Ringe, die beide vom Blechpaket axial beabstandet sind, wird die Kühlung des Blechpaketes bzw. der Wicklungsstäbe im Blechpaket nicht beeinflusst.
  • Durch eine geeignete Wahl der Dimensionen und der Werkstoffe des Verbundes aus Außenring, Wicklungsstäben und Innenring kann erreicht werden, dass die radialen Relativbewegungen zwischen Rotorkörper und Wickelkopf im Stillstand und in allen Betriebszuständen gering bleiben und sehr geringe Biege- bzw. Scherbeanspruchungen der Wicklungsstäbe hervorgerufen werden.
  • Wenn im Bereich des Wickelkopfes in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Wicklungsstäben ein Distanzstück angeordnet ist, das zumindest gleich hoch, bevorzugt geringfügig höher, ist, als die Wicklungsstäbe, kann erreicht werden, dass keine radialen Schrumpfkräfte auf die Wicklungsstäbe übertragen werden.
  • Die Kühlung des Wickelkopfes lässt sich sehr einfach und wirkungsvoll umsetzen, wenn das Distanzstück als Hohlprofil ausgeführt ist. Durch die Hohlprofile kann in axialer Richtung Kühlluft durchgeführt werden, womit eine Kühlung des Wickelkopfes erzielt wird.
  • Vorzugsweise ist in radialer Richtung zwischen Innenring und Wicklungsstäben und/oder zwischen Außenring und Wicklungsstäben eine Isolationsbeilage angeordnet. Es ist auch denkbar, dass die Isolationsbeilage zwischen Unterstab und Oberstab angeordnet ist. Dadurch kann eine bessere elektrische Isolation zwischen Ober- und Unterstäben erreicht werden.
  • Die erfindungsgemäße Wickelkopfabstützung kann auch eingesetzt werden, wenn in radialer Richtung ein Unterstab und ein Oberstab übereinander angeordnet sind, wobei in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Unterstäben und/oder Oberstäben ein Distanzstück, das zumindest gleich hoch, bevorzugt geringfügig höher, ist, wie der Unterstab bzw. der Oberstab, angeordnet sein kann.
  • Eine axiale Bewegung des Innenringes kann sehr einfach unterbunden werden, indem im Bereich des Innenringes eine Halteeinrichtung, beispielsweise Haltebleche, vorgesehen wird, die mit dem Innenring zusammenwirkt und eine axiale Bewegung des Innenrings bzw. Wickelkopfes verhindert, ohne jedoch die radiale Bewegung des Wickelkopfes zu stören.
  • Ebenso ermöglichen die Haltebleche durch das Eingreifen in mehrere an der Innenfläche des Innenringes befindliche radiale Nuten die Zentrierung des Wickelkopfes.
  • Es ist sinnvoll, wenn im Bereich des Wickelkopfes Kühlluft zwischen den Wicklungsstäben und/oder durch die Distanzstücke axial nach außen führbar ist, dadurch wird eine verbesserte Kühlung des Wickelkopfes gewährleistet.
  • Die Erfindung betrifft auch ein Verfahren zur Montage einer Wickelkopfabstützung einer Rotorwicklung, wobei das Verfahren folgende Verfahrensschritte umfasst:
    1. a) ein Innenring wird axial beabstandet vom Blechpaket des Rotorkörpers angeordnet,
    2. b) über den Umfang verteilt werden in das Blechpaket Wicklungsstäbe eingelegt, die sich zur Ausbildung eines Wickelkopfes über ein axiales Ende des Blechpaketes erstrecken, und
    3. c) ein Außenring wird im Bereich des Wickelkopfes axial beabstandet vom Blechpakete auf die Wicklungsstäbe und den Innenring aufgeschrumpft, wobei ein Verbund aus Außenring und den Wicklungsstäben im Bereich des Wickelkopfes und dem Innenring entsteht, wobei sich beide Ringe radial ungehindert aufweiten können und wobei der Verbund in radialer Richtung im Wesentlichen frei beweglich bleibt.
  • Dadurch wird der Wickelkopf durch die gegenseitige Verspannung in radialer Richtung abgestützt und im Betrieb gegen die mechanischen Belastungen, welche durch die entstehenden Fliehkräfte hervorgerufen werden, geschützt.
  • Vorteilhafterweise wird vor dem Aufschrumpfen des Außenringes im Bereich des Wickelkopfes zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Wicklungsstäben ein Distanzstück, das bevorzugt höher als die Wicklungsstäbe ist, angeordnet.
  • Dadurch werden keine radialen Schrumpfkräfte auf die Wicklungsstäbe übertragen.
  • Die Wicklungsstäbe und die Distanzstücke können bei dem erfindungsgemäßen Verfahren auch in zwei Lagen angeordnet werden.
  • Die gegenständliche Erfindung wird anhand der beispielhaften schematischen und nicht einschränkenden Figuren 1 bis 3 beschrieben. Dabei zeigt
    • Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Rotor einer elektrischen Maschine,
    • Fig. 2 einen Querschnitt durch den Wickelkopf eines Rotors und
    • Fig. 3 eine Ansicht in radialer Richtung des Wickelkopfes eines Rotors.
  • Der in Fig. 1 dargestellte Rotor 1 einer elektrischen Maschine, wie z.B. eines Hydrogenerators, umfasst einen Nabenstern 2, auf dem in bekannter Weise das Blechpaket 3 des Rotors 1 angeordnet ist. Das Blechpaket 3 wird dabei durch hinlänglich bekannte Pressbolzen 4 zusammengehalten. Nabenstern 2 und Blechpaket 3 bilden dabei den Rotorkörper 11 des Rotors 1. Im radialen äußeren Bereich des Blechpaketes 3 sind, hier nicht dargestellte, Nuten angeordnet, in denen die isolierten Wicklungsstäbe, hier ein Oberstab 5 und ein Unterstab 6, eingelegt und durch Nutkeile in radialer Richtung gehalten werden. Eine solche Anordnung ist hinlänglich bekannt, weshalb hier nicht näher darauf eingegangen wird. Die Wicklungsstäbe 5, 6 ragen in axialer Richtung auf beiden Seiten aus dem Blechpaket 3 heraus und bilden außerhalb des Blechpaketes 3 den so genannten Wickelkopf 7. Die Wicklungsstäbe 5, 6 sind, wie hinlänglich bekannt, im Bereich des Wickelkopfes 7 gegenüber der axialen Richtung schräg angeordnet, wobei der Oberstab 5 und der Unterstab 6 gegenläufig schräg angeordnet sind, sodass sich diese kreuzen, wie in Fig. 3 schematisch dargestellt. Zur Ausbildung von Wicklungen sind die Oberstäbe 5 und Unterstäbe 6, bevorzugt an ihren axialen Enden, durch Stabverbinder 8 miteinander verbunden.
  • Die Wicklungsstäbe 5, 6 sind erfindungsgemäß im Bereich des Wickelkopfes 7 zwischen einem Innenring 12 und einem Außenring 10 angeordnet und bilden gemeinsam mit diesen einen Verbund. Beide Ringe 10, 12 sind axial beabstandet vom Rotorkörper 11 bzw. vom Blechpaket 3 angeordnet, und berühren diesen nicht bzw. sind nicht mit diesem verbunden. Beide Ringe 10, 12 stützen sich somit, zumindest in radialer Richtung, nicht auf dem Rotorkörper 11 bzw. dem Blechpaket 3 oder anderswo ab, sondern können sich radial ungehindert aufweiten. Die Halteeinrichtung 9, z.B. ein Halteblech, das an einer Haltekonsole 16 befestigt wird, dient im Wesentlichen dazu, eine axiale Verschiebung des Wickelkopfes 7 mit den Ringen 10, 12 zu verhindern und den Innenring 12 zu zentrieren. Diese Halteeinrichtung 9 behindert aber nicht das die im Wesentlichen freie radiale Aufweiten des Verbundes. Die Halteeinrichtung 9 könnte z.B. als Blech mit einer Nase ausgeführt sein (wie in Fig. 1 angedeutet), wobei die Nase in eine Nut am Innenring 12 axial schlüssig eingreift, das Blech aber radial beabstandet vom Innenring 12 angeordnet ist und somit die radiale Beweglichkeit nicht beschränkt wird.
  • Der Außenring 10 wird auf den Wickelkopf 7 aufgeschrumpft und bildet durch gegenseitige Verspannung mit dem Innenring 12 einen Verbund. Um zu verhindern, dass dabei Kräfte auf die Wicklungsstäbe 5, 6 wirken, die z.B. die Isolation der Wicklungsstäbe 5, 6 verletzen könnten, kann vorgesehen sein, zwischen den Wicklungsstäben 5, 6 (in Umfangsrichtung gesehen) Distanzstücke 14 anzuordnen, die zumindest gleich hoch wie die Wicklungsstäbe 5, 6, bevorzugt aber etwas höher sind - zumindest so viel höher, dass keine Schrumpfkräfte auf die Wicklungsstäbe 5, 6 übertragen werden (z.B. zwischen 0.5 und 1mm höher als die Wicklungsstäbe 5, 6). Dies ist in Fig. 2 stark schematisch und übertrieben gezeigt. Ebenso wie die Wicklungsstäbe 5, 6 sind die Distanzstücke 14 gegenläufig schräg angeordnet und überkreuzen sich (siehe oben). Damit werden die Schrumpfkräfte vom Außenring 10 über die Distanzstücke 14 zum Innenring geleitet (im Wesentlichen über die Kreuzungspunkte der Distanzstücke 14) und die Wicklungsstäbe 5, 6 bleiben in radialer Richtung im Wesentlichen frei von Schrumpfkräften und können sich sogar in gewissen Grenzen radial bewegen. Dadurch entsteht ein Verbund aus Außenring 10, den Distanzstücken 14 und dem Innenring 12, wobei die Wicklungsstäbe 5, 6 in diesem Verbund eingebettet sind und im Wesentlichen kräftefrei bleiben. Werden die Werkstoffe dieser Teile gemäß ihrem E-Modul, die Geometrien und/oder die Schrumpftemperaturen nun geeignet gewählt, so erfahren die Wicklungsstäbe 5, 6 durch die Fliehkräfte auf den Wickelkopf 7 im Wickelkopfbereich eine etwa gleich große radiale Verschiebung wie im Bereich des Rotorkörpers 11, wodurch die Wicklungsstäbe 5, 6 minimal mechanisch belastet werden. Die radialen Relativbewegungen zwischen Rotorkörper 11 und Wickelkopf 7 können so in allen Betriebszuständen gering gehalten werden, sodass möglichst keine Biege- bzw. Scherbeanspruchungen der Wicklungsstäbe 5, 6 hervorgerufen werden.
  • Es müssen natürlich nicht zwischen allen Wicklungsstäben 5, 6 Distanzstücke 14 angeordnet sein, sondern es können auch Zwischenräume vorgesehen sein, durch die z.B. Kühlluft durchgeführt werden kann.
  • Werden die Distanzstücke 14 als Hohlprofile ausgeführt, wie in Fig. 2 angedeutet, können diese auch zur Kühlluftführung genutzt werden. Vorzugsweise ist dieses Hohlprofil mit in Längsrichtung, also parallel zu den Wicklungsstäben ausgerichteten Rippen ausgeführt. Dazu ist z.B. radial innen zum Wickelkopf 7 ein Radiallüfter 13 (in Fig. 1 dargestellt) angeordnet, der kalte Kühlluft, z.B. von einem nicht dargestellten Wärmetauscher, ansaugt und radial nach außen zum Wickelkopf 7 bläst. Dort wird die Kühlluft von der radialen auf eine axiale Richtung umgelenkt, z.B. durch geeignete Umlenkbleche, und strömt dann durch die Kanäle der Hohlprofile der Distanzstücke 14 axial nach außen, wodurch der Wickelkopf gekühlt wird. Diese Kühlluftführung ist in Fig. 1 und Fig. 3 durch Pfeile angedeutet.
  • Ebenso ist es möglich zwischen Oberstab 5 und Unterstab 6 und/oder zwischen Oberstab 5 und Außenring 10 und/oder zwischen Unterstäben 6 und Innenring 12 Isolationsbeilagen 15, z.B. aus einem Hartfasergewebe, anzuordnen, um eine bessere elektrische Isolation der Ober- und Unterstäben 5, 6 zu erreichen. Diese Isolationsbeilagen 15 sind dann natürlich auch Teil des Verbundes.
  • Eine Montage einer erfindungsgemäßen Wickelkopfabstützung könnte dabei wie folgt ablaufen: Zuerst wird im Bereich des Wickelkopfes 7 der Innenring 12 angeordnet und danach werden die Unterstäbe 6 in die Nuten eingelegt und fixiert. Darauf folgend werden im Wickelkopfbereich zwischen den Unterstäben 6 die Distanzstücke 14 eingelegt. Anschließend kann eine Isolationsbeilage 15 um die Distanzstücke 14 angeordnet werden. Darauf folgend können die Oberstäbe 5 in die Nuten eingelegt werden. Die Nuten können danach auch bereits durch Nutkeile verschlossen werden. Sind die Oberstäbe 5 eingelegt, können dazwischen im Wickelkopfbereich wieder Distanzstücke 14 angeordnet werden. In diesem Stadium der Montage können auch Schaltverbindungen, Stabverbinder 8 und Isolationskappen angeordnet werden. Gegebenenfalls kann nun auch eine weitere Isolationsbeilage 15 um die Oberstäbe 5 bzw. um die Distanzstücke 14 angeordnet werden. Anschließend wird der auf eine bestimmte Temperatur, z.B. 160° bis 200°C, gebrachte Außenring 10 übergestülpt und abgekühlt. Dadurch schrumpft der Außenring 10 und schrumpft auf den Innenring 12 (über die Distanzstücke 14) auf, wodurch der Verbund ausgebildet wird. Damit wird der Wickelkopf 7 durch die gegenseitige Verspannung in radialer Richtung abgestützt und im Betrieb gegen die mechanischen Belastungen, welche durch die entstehenden Fliehkräfte hervorgerufen werden, geschützt.
  • Der Verbund aus Innenring 12, Wicklungsstäben 5, 6, Distanzstücken 14 und gegebenenfalls Isolationsschichten 15 kann dabei so ausgelegt werden, dass die radialen Relativbewegungen von Rotorkörper 11 und Wickelkopf 7 in allen Betriebszuständen gering bleiben und möglichst keine Biege- bzw. Scherbeanspruchungen der Wicklungsstäbe 5, 6 hervorrufen.

Claims (15)

  1. Abstützung für einen Wickelkopf eines Rotors einer elektrischen Maschine, wobei der Rotor (1) ein Blechpaket (3) umfasst, in dem über dessen Umfang verteilt Wicklungsstäbe (5, 6) eingelegt sind, wobei sich die Wicklungsstäbe (5, 6) über ein axiales Ende des Blechpakets (3) zur Ausbildung des Wickelkopfes (7) hinaus erstrecken, dadurch gekennzeichnet, dass die Wickelkopfabstützung im Bereich des Wickelkopfes (7) einen Außenring (10) und einen Innenring (12) umfasst, zwischen denen die Wicklungsstäbe (5, 6) im Bereich des Wickelkopfes (7) anordenbar sind, wobei der Außenring (10) auf die Wicklungsstäbe (5, 6) aufgeschrumpft ist und mit dem Innenring (12) und den Wicklungsstäben (5, 6) im Bereich des Wickelkopfes (7) einen Verbund bildet und sowohl der Außenring (10), als auch der Innenring (12) vom Blechpaket (3) axial beabstandet angeordnet ist, wobei sich beide Ringe (10, 12) radial ungehindert aufweiten können, sodass der Verbund in radialer Richtung im Wesentlichen frei beweglich ist.
  2. Wickelkopfabstützung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Wickelkopfes (7) in Umfangsrichtung zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Wicklungsstäben (5, 6) ein Distanzstück (14) angeordnet ist, das zumindest gleich hoch, bevorzugt geringfügig höher, ist, als die Wicklungsstäbe(5, 6).
  3. Wickelkopfabstützung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Distanzstück (14) als Hohlprofil ist.
  4. Wickelkopfabstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung zwischen Innenring (12) und Wicklungsstäben (5, 6) und/oder zwischen Außenring (10) und Wicklungsstäben (5, 6) eine Isolationsbeilage (15) angeordnet ist.
  5. Wickelkopfabstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung ein Unterstab (6) und ein Oberstab (5) übereinander angeordnet sind und in Umfangsrichtung zwischen zwei benachbarten Unterstäben (6) und/oder Oberstäben (5) ein Distanzstück (14) angeordnet ist, das zumindest gleich hoch, bevorzugt geringfügig höher, ist, wie der Unterstab (6) bzw. der Oberstab (5).
  6. Wickelkopfabstützung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung zwischen Unterstäben (6) und Oberstäben (5) eine Isolationsbeilage (15) angeordnet ist.
  7. Wickelkopfabstützung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Innenringes (12) eine Halteeinrichtung (9) vorgesehen ist, die mit dem Innenring (12) zusammenwirkt und eine axiale Bewegung des Wickelkopfes (7) verhindert.
  8. Wickelkopfabstützung nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Wickelkopfes (7) Kühlluft zwischen den Wicklungsstäben (5, 6) und/oder durch die Distanzstücke (14) axial nach außen führbar ist.
  9. Verfahren zur Montage einer Wickelkopfabstützung einer Rotorwicklung, dadurch gekennzeichnet, dass
    a) ein Innenring (12) axial beabstandet vom Blechpaket (3) des Rotorkörpers angeordnet wird,
    b) über den Umfang verteilt Wicklungsstäbe (6), die sich zur Ausbildung eines Wickelkopfes (7) über ein axiales Ende des Blechpaketes (3) erstrecken, in das Blechpaket (3) eingelegt werden und
    c) ein Außenring (10) im Bereich des Wickelkopfes (7) axial beabstandet vom Blechpakete (3) auf die Wicklungsstäbe (6) und den Innenring (12) aufgeschrumpft wird, wobei ein Verbund aus Außenring (10) und den Wicklungsstäben (6) im Bereich des Wickelkopfes (7) und dem Innenring (12) entsteht, wobei sich beide Ringe (10, 12) radial ungehindert aufweiten können und wobei der Verbund in radialer Richtung im Wesentlichen frei beweglich bleibt.
  10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufschrumpfen des Außenringes (10) im Bereich des Wickelkopfes (7) zwischen zwei in Umfangsrichtung benachbarten Wicklungsstäben (6) ein Distanzstück (14), das bevorzugt höher als die Wicklungsstäbe (6) ist, angeordnet wird.
  11. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Innenring (12) und Wicklungsstäben (6) und/oder zwischen Wicklungsstäben (6) und dem Außenring (10) eine Isolationsbeilage (15) angeordnet wird.
  12. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufschrumpfen des Außenringes (10) eine zweite Lage über den Umfang verteilter Wicklungsstäbe (5) in das Blechpaket (3) auf eine erste Lage von Wicklungsstäben (6) eingelegt wird.
  13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass vor dem Aufschrumpfen des Außenringes (10) im Bereich des Wickelkopfes (7) zwischen zwei benachbarten Wicklungsstäben (5) der zweiten Lage ein Distanzstück (14), das bevorzugt höher als die Wicklungsstäbe (5) ist, angeordnet wird.
  14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Innenring (12) und Wicklungsstäben (6) der ersten Lage und/oder zwischen Wicklungsstäben (5, 6) der ersten und zweiten Lage und/oder zwischen den Wicklungsstäben (5) der zweiten Lage und dem Außenring (10) eine Isolationsbeilage (15) angeordnet wird.
  15. Verfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Innenringes (12) eine Halteeinrichtung (9) angeordnet wird, die mit dem Innenring (12) zusammenwirkt und ein axiales Verschieben des Wickelkopfes (7) verhindert sowie dessen Zentrierung gewährleistet.
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